X Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Исследование проводимости графитовых линий
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Всем известно, что наноматериалы и нанотехнологии имеют ведущую роль в современности, а именно разработка изобретений в сфере наноэлектроники, создание искусственного интеллекта и применение в наномедицине и профилактике. Углеродные наноматериалы часто проявляют уникальные свойства, которые и способствуют их успешному применению в приборах современной электроники и чувствительных датчиках.
Чем необычен графит? Во-первых, он хорошо проводит электрический ток, причем общая проводимость определяется двумя составляющими: электропроводностью кристаллитов, металлической по своему типу, и проводимостью аморфного углерода - полупроводника [2]. Во-вторых, проводимость графита зависит от различных параметров, что даёт нам возможность управлять величиной тока в цепи, изменяя их. В своей работе я подробно рассмотрю некоторые из параметров, особенно интересным является зависимость от деформации линии, так как это даёт нам право сделать предположение, что у графита есть потенциал к использованию его в качестве тензорезистора (прибора для измерения силы и давления).
Известно также, что начерченный слой графита на бумаге (графитовая линия), также обладает электропроводностью. Это явление подробно рассмотрено в моей работе.
Цель работы: изучить свойства и строение графитовых линий.
Задачи:
Изучить строение графита.
Экспериментально установить наличие электропроводности графитовой линии и её величину
Установить зависимости электропроводности от существенных параметров, влияющих на проводимость линий и дать им объяснения
Объект: электропроводность графитовой линии.
Предмет: факторы, влияющие на электропроводность.
2. Основная часть
2.1.Графит и графитовые линии
Графит в карандаше проводит электрический ток (удельное сопротивление = 8 Ом⋅мм2/м [9]), поэтому и линия, проведенная карандашом, может проводить электрический ток. Только величина этого тока, предположительно, будет меньше, чем у графита в стержне.
Рис.1 Молекула графита
Графит представляет собой непрерывный ряд слоев, параллельных основной плоскости и состоящих из гексагонально связанных друг с другом атомов углерода (Рис.1). В узлах кристаллической решётки каждого слоя графита находятся положительно заряженные ионы, а между ними свободно перемещаются электроны [6]. Каждый атом углерода использует только 3 из 4 внешних электронов для создания ковалентной связи между другими атомами углерода в плоскости. Значит, каждый атом вносит один делокализированный электрон, который может перемещаться по плоскости кристаллической решетки. Именно они своим движением создают электрический ток в графите при возникновении разности потенциалов [5].
Рис.2 Графитовая линия
О тдельные слои соединяются между собой благодаря ван-дер-ваальсовым силам (силам межмолекулярного взаимодействия) — они гораздо слабее, чем обычная химическая связь, но достаточны для того, чтобы кристалл графита не расслаивался самопроизвольно [8]. Такое несоответствие приводит к тому, что электронам гораздо сложнее перемещаться перпендикулярно плоскостям — электрическое сопротивление возрастает в 100 раз [1]. При производстве графитовых карандашей графит испытывает механическую обработку и нарушается его плоскостное строение, а значит можно предположить, что удельное сопротивление одинаково по всем направлениям. Проверим с помощью опыта, нарисуем квадрат (рис.2) и измерим ток, прислонив контакты к разным боковым сторонам, а также передвигая их параллельно. Как и следовало, значение силы тока по всем направлениям одинаково и равно 2 мкА.
Рис. 4 40-кратное увеличение
Рис. 3 4-кратное увеличение
К огда мы проводим графитом по бумаге, связи между графитовыми плоскостями, образованными локализированными электронами, разрушаются и графит слоем накладывается на бумагу, образуя «провод», по которому движутся электроны. Как можно заметить на наших снимках (рис.3, рис.4), которые мы получили методом микроскопии, данные линии имеют небольшие промежутки, по которым не могут двигаться электроны. Однако, их количество не настолько велико, чтобы ток вообще не проходил.
2.2 Установка и первичное наблюдение
3
2
1
Это можно доказать, проделав опыт с графитовым стержнем. Нам понадобятся:
Стержень для карандаша 6B
Микроамперметр
Рис. 5 Установка
Источник питания
Соединительные провода
Соединив элементы как показано на рисунке (рис. 5), подадим напряжение. После этого ток действительно пойдёт по стержню, так как стрелка микроамперметра отклониться. Проделав данный опыт, но подключив линию, нарисованной этим стержнем, получим аналогичный результат.
Для того, чтобы проводить параметрические исследования, необходимо оптимизировать установку, исключив человеческий фактор и прочие погрешности. Для этого все линии будем проводить на гладкой поверхности с низким коэффициентом трения, также закрепим карандаш на штативе (рис. 6), и будем тянуть листок, чтобы нажим был постоянным.
Рис. 6 закреплённый карандаш
Теперь, вместо графита будем использовать линии, проведённые на бумаге, так как изменять их параметры удобнее.
Рис. 7 итоговая установка
Контакты проводов будем подсоединять к краям линий. Итоговая установка (рис. 7) аналогична первой.
2.3 Вольт-амперная характеристика
|
Напряжение, В |
1,03 |
2,1 |
4 |
5,05 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
|
Сила тока, мкА |
1 |
2 |
4 |
5 |
6,1 |
7,1 |
7,5 |
9 |
9,5 |
9,5 |
9,6 |
10 |
Табл. 1 ВАХ
Для определения вольт-амперной характеристики на регулируемом источнике тока будем менять напряжение, а затем снимать показания амперметра.
Вольтамперная характеристика графита (табл.1) имеет отклонения от закона Ома. Это происходит из-за того, что линия, проведённая графитовым карандашом, является дискретной, в ней присутствуют небольшие промежутки - дефекты, которые влияют на проводимость линии (рис. 3, рис. 4).
2.4 Параметрические исследования
Используя физические закономерности,
я выдвинула гипотезу о том, что сила тока должна зависеть от
длины линии
площади поперечного сечения линии
высоты линии
температуры линии
Также я предположила о том, что сила тока может зависеть от
твёрдости карандаша
рода бумаги
положения бумаги в пространстве
Рис. 8 Экспериментальная установка для установления зависимости от длины линии
Табл. 2 Зависимость от длины
И
зучим зависимость от 2.4.1 длины проведённой линии(рис. 8). Чем она больше, тем сила тока меньше. Это происходит из-за того, что электронам приходится преодолевать более длинный путь, на что уходит больше времени.
|
Длина, мм |
50 |
45 |
40 |
35 |
30 |
25 |
20 |
15 |
10 |
5 |
|
Сила тока, мкА |
110 |
170 |
175 |
180 |
200 |
220 |
230 |
250 |
300 |
350 |
2.4.2 От площади поперечного сечения(рис. 9). Чем она больше, тем сила тока больше. У электронов становится больше места, где они могли бы перемещаться, и они доходят быстрее.
Рис.9 Экспериментальная установка для установления зависимости от площади
Табл. 3 Зависимость от площади
|
Поперечное сечение, мм |
0,5 |
1 |
5 |
10 |
20 |
|
Сила тока, мкА |
5 |
10 |
15 |
30 |
80 |
2 .4.3 От температуры линии(рис. 10)
Рис. 10 Экспериментальная установка для установления зависимости от температуры
Так как её измерить проблематично, то определим зависимость от времени нагрева. Чем линия нагревалась дольше, тем её температура становилась больше.
В поликристаллических углеродных материалах общая проводимость определяется двумя составляющими: электропроводностью кристаллитов, металлической по своему типу, и проводимостью аморфного углерода – полупроводника [2]. Этим обусловлена зависимость электропроводности многих углеграфитовых материалов от температуры: электросопротивление полупроводника с ростом температуры падает (увеличение температуры приводит к увеличению концентрации носителей), а металла растет (с увеличением температуры электроны начинают двигаться быстрее и всё больше сталкиваются с ионами кристаллической решетки, что приводит к росту сопротивления). Поэтому в нашем образце наблюдается рост силы тока (падение сопротивления), но её график не такой крутой, как в чистых полупроводниках.
Табл. 4 Зависимость от температуры
Рис. 11 Графитовые линии, используемые в эксперименте
|
Время,с |
0 |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
35 |
40 |
|
Сила тока, мА |
2,4 |
2,5 |
2,5 |
2,6 |
2,6 |
2,7 |
2,8 |
2,9 |
3 |
2.4.4От твёрдости карандаша или состава(рис. 11). Проводник не является идеальным. В нём всегда есть нарушения периодического расположения атомов. Например, в некоторые места решетки случайно попадают атомы постороннего вещества — примеси [5]. Налетев на такую примесь, электроны рассеиваются, т. е. изменяют направление своего движения. В мягких карандашах меньше примесей, поэтому тока проходит больше.
Но в действительности наблюдается сложная зависимость, чтобы объяснить её, необходимо исследовать химический состав карандашей.
|
Твёрдость карандаша |
2H |
H |
HB |
B |
2B |
|
Положение |
1 |
2 |
4 |
5 |
6 |
|
сила тока, мА |
1,5 |
2 |
6 |
3 |
9,5 |
Табл. 5 Зависимость от твёрдости карандаша
Рис. 13 Тензодатчик [4]
Рис. 12 Искривлённые линии
2 .4.5 От положения бумаги в пространстве. Линия может быть искривлена в двух направлениях, в зависимости от них поверхность будет выпуклой либо вогнутой (рис. 12, рис. 14). Деформируя лист, мы можем менять радиус кривизны нашей поверхности. Как оказалось, будет меняться и её сопротивление.
Данная зависимость демонстрирует тензоэффект – это эффект изменения электропроводимости под действием механических напряжений [3]. Графит, как упомяналось ранее, обладает двумя типами электропроводимости[2]: металлической, где тензоэффект связан с изменением размеров проводника, и полупроводниковой, где он объясняется тем, что при деформации меняется расстояние между атомами кристаллической решетки, что меняет концентрацию свободных электронов и проводимость полупроводника.
В действительносьти, мы наблюдаем этот эффект и получаем у графита такую же зависимость от деформации линии. Это даёт нам право сделать предположение, что у графита есть потенциал к использованию его в качестве тензорезистора. Поскольку в настоящее время основой для тензорезистора в основном служит кремний, то замена его на графитовую пленку (графен) сможет уменьшить стоимость устройства [7]. Пленочные тензорезисторы превалируют отсутствием клеевого слоя и возможностью производить большое количество идентичных резисторов.
Рис. 14 Искривлённые линии
Табл. 6 Зависимость от радиуса кривизны
2.4.6 От интенсивности нажатия линии(рис. 15)
Рис. 15 Графитовые линии, используемые в эксперименте
Интенсивность нажатия линий подразумевает количество проведенных слоев карандаша с помощью автоматизированной установки (рис. 6). В начале сила тока возрастает, так как растёт высота линии, а следовательно значение поперечного сечения. Но далее зависимость проходит сложным образом из-за того, что при нанесении слоёв графита друг на друга структура линии рушится и сила тока уменьшается.
|
Количество нажатий |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
12 |
15 |
|
Сила тока, мкА |
0 |
0 |
0 |
1 |
2 |
4 |
4 |
6 |
6 |
10 |
10 |
6 |
Табл. 7 Зависимость от интенсивности нажатия
Заключение
Изучив разные зависимости от различных параметров, я установила, что электропроводность, а, точнее, сила тока в линии зависит от характеристик карандашной линии следующим образом.
1) длины проведённой линии. Чем она больше, тем сила тока меньше (табл. 2), что согласуется с теорией.
2)площади поперечного сечения. Чем она больше, тем сила тока больше. При этом график (табл. 3) близок к прямой линии, что соответствует теории, так как сила тока линейно зависит от площади.
3)температуры линии. Чем линия нагревалась дольше, то есть чем больше её температура, тем сила тока больше (табл. 4).
4)твёрдости карандаша или состава. Наблюдалась сложная зависимость (табл. 5), которая расходится с имеющейся теорией. Поэтому для более глубокого понимания данной зависимости необходимы дополнительные исследования, а именно определение химического состава каждого графитового стержня.
5)положения бумаги в пространстве. В выпуклых поверхностях, чем больше радиус кривизны, сила тока будет меньше. В вогнутых поверхностях, наоборот (табл. 6). Данная зависимость отлично объясняется тензоэффектом, поэтому в перспективе стоят исследования данного эффекта не только в графите, но и в графене: например, определение показателя тензочувствительности, зависимости сопротивления от показателя приложенной силы.
6) интенсивности нажатия. Наблюдалась сложная зависимость (табл. 7), которую можно объяснить теоритически.
Графит –материал, применимый в различных областях, именно поэтому он и другие модификации углерода пользуются спросом среди учёных и исследуются до сих пор.
В своей работе я изучила некоторые факторы, влияющие на электропроводность графита. Опыты можно проводить и дальше, и исследовать поведение графита в экстремальных условиях, а также пытаться добиться идеальной линии без промежутков, чтобы устранить погрешности, которые могли быть допущены мною при измерениях.
Список литературы
Admin в рубрике Техническая физика с метками атомов углерода, между собой, силами Ван-дер-Ваальса, слабыми силами[Электронный ресурс]-2015-URL:.http://neftandgaz.ru/?p=5670
А. Дунаев, А.Шапорев
Источник: Нанометр-2007-2020 © "Исследовательский центр Модификатор" -[Электронный ресурс] URL:http://www.modificator.ru/articles/carbon_mat.html
Василий Новицкий, преподаватель дисциплин ТОЭ и Электротехника./ решение задач ТОЭ//[Электронный ресурс]URL:http://ргр-тоэ.рф/electrical-engineering/112-tenzorezistor.html
Визуализация рабочей концепции , лежащего тензодатчика на балке под преувеличенным изгибом. URL:https://ru.qwe.wiki/wiki/Strain_gauge
Владимир Королёв Семь обличий углерода//N+1[Электронный ресурс]:научно-популярное издание о том, что происходит в науке, технике и технологиях прямо сейчас-2017-URL:https://nplus1.ru/material/2017/10/23/carbon-atom
Владимир Кузнецов/Графит: авторский канал на YouTube.[Электронный ресурс]-2014-URL: https://www.youtube.com/watch?time_continue=49&v=5cOUB5R0ZBA&feature=emb_logohttps://proprovoda.ru/provodka/vixrevye-toki.html
Дмитриев Александр Викторович/Датчики на основе тензоризистивного эффекта/Бакалаврская работа//URL:https://elib.pnzgu.ru/files/eb/doc/JtNHU4a51hoG.pdf
Межмолекулярные взаимодействия (ММВ).//Студопедия: общедоступная информация для студентов разных предметных областей.[Электронный ресурс]URL:https://studopedia.ru/19_399001_mezhmolekulyarnie-vzaimodeystviya-mmv-sili-van-der-vaalsa-potentsialnie-krivie-lennarda-dzhonsa-tipi-mezhmolekulyarnih-vzaimodeystviy-effekti-keezoma-debaya-i-londona.html
Удельное электрическое сопротивление проводников/справочная таблица//Copyright © FXYZ.ru/ 2007 — 2017. URL:https://www.fxyz.ru/справочные_данные/электрические_свойства_веществ/удельное_электрическое_сопротивление_проводников_при_20_c/